【金猿案例展】荣乌高速公路：基于“互联网+”的高速公路机电设备运营监测平台建设
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荣乌高速公路河北徐水至涞源(冀晋界)段是国家高速公路网规划(简称“7918”网)中“18横”的第4条东西横向线的重要组成部分，是河北省东西向主通道，也是西北部地区通往雄安新区、环渤海湾地区的主要通道之一。机电系统作为高速公路的重要组成部分机电系统的功能和效率直接影响到了高速公路的运营服务水平，通行能力，应急处理，安全保障等方方面面的指标。
越来越多的高速公路管理者认识到原有的“重建设，轻管养”的高速公路机电系统建设方式无法满足其长远的运营需求，亟需在系统建设初期就统筹考虑机电系统建设和设备全生命周期管理的需求，打破传统的“建设、管理与运维”离散状态，“集成化、一体化、智慧化”应该是高速公路机电系统管理的重要发展趋势。
为此，本项目提出“基于互联网+高速公路机电设备运营监测平台”，实现高速公路机电设备的全程实时状态监测，打破传统机电设备系统信息孤岛的状态，实现信息化的综合效益。
应用场景
本项目提出的基于互联网+高速公路机电设备监测平台系统，使用该系统可以方便的管理机电设备的实时状态、将设备故障信息及时上传，并根据设备的综合状态进行风险预警。高速公路机电设备全生命周期管控在完成高速公路机电设备管理的过程中，通过对各类系统的运行效果进行统计分析，指导后续高速公路的规划工作，对于低可用性的系统，结合国家和行业规范，在规划阶段逐步取消建设；通过对各类设备的初始建设费用、维护费用、故障频率、影响范围等综合成本进行统计分析。
因此，运用信息化手段，解决信息“孤岛”，加强高速公路机电设备管理系统和现有设备资源的整合以及数据调用，将变得更加重要。为了解决目前公路基础设施相对落后于交通量增加的矛盾，需要全面提升公路管理能力，充分发挥基础设施应有的效率，提高交通事故反应和处理速度，提高服务质量，随着交通事业的发展，政府职能的转变，对规范管理流程、提高办事效率等管理要求也愈来愈高，而现有的行政管理手段已不能适应新形势发展的需要。因此，需要运用现代信息技术，通过实现交通基础信息的横向、纵向链接，行业应用软件整合，来提高公路资源使用率，提高行业管理水平。
我国的高速公路通车已超过13万公里，高速公路机电设备已经成为一个庞大的基础设施，并且随着智能化的不断发展，机电设备的数量还要大规模增加，因此，其市场潜力是巨大的。
面临挑战
高速公路机电系统分布于沿线及收费站、服务区、隧道及大桥，点多、线长、面广。大部分机电设备都安装在户外，受尘土、水汽、振动、撞击及高温、严寒恶劣天气等影响较大，容易造成一些设备出现故障。
此外，高速公路机电系统的各种设施更新换代很快，各种新产品、新技术层出不穷，系统淘汰快。由于高速公路机电系统包括的设备种类繁多，各种设备构成一个完整的系统，设备之间相互匹配、协调、兼容的难度非常大。比如部分设备需要采用高压电力系统，部分设备安装在山区，环境恶劣，这些设备都需要采用性能指标突出的设备以减少维护次数，而实际工程采购中往往难以采购到理想的设备。再如，隧道中的空间有限，来往的车辆也会对设备维护人员带来一定的威胁，特别是遇到雨雪冰雹等恶劣天气时，极易引起重大安全事故。许多监控维护作业内容均为特种作业，对维修人员的业务能力要求较高，容易产生人力资源分配不均匀等问题。
随着人民生活水平的提高和科学技术的进步，高速公路机电系统管理内容也不断的发生变化。新设备随着新技术发展逐渐应用在机电系统中，也有部分设备逐渐被淘汰。缺乏对先进技术的敏感性和对高速公路管理认识的滞后性导致高速公路机电系统存在建而不用的现象。
数据支持
本项目涉及到到6大类机电系统36个子系统。
全部系统预计每天产生需保存的视频监控数据800G，常规系统日志1.2G，各种事件消息20万条。
应用技术／实施过程
技术创新
创新点 1：松耦合、高扩展的高速公路机电设备运营监测体系
项目提出一种基于LoRa的高速公路机电设备一体化监测体系，通过构建包括智能感知层、网络传输层、信息整合层、应用服务层等核心模块的监测架构，实现对高速公路机电设备的实时在线监测与智能化管理，可以有效提高对机电设备故障及突发情况的快速反馈及处理能力，进而提升高速公路运营管理的整体水平。
其原理如下图所示。
创新点 2：基于多传感器融合分析和 RNN 的风险预测方法
项目通过将海量传感器和设备状态进行集中统一存储，并提供访问接口，为多传感器融合分析奠定了基础，利用多个设备状态信息，利用人工智能方法，例如 CNN、RNN 等算法，对风险进行识别，从而为单个机电设备的维修、维护与道路行车风险建立关系，为设备管理提供参考。
具体实施方案
1、基于 LoRa 协议的高速公路机电系统分层次运营监测架构
根据智慧交通环境下提升高速公路机电设备智能化监测与管理的需求，结合当前物联网LoRa协议无线传输技术、电子设备控制技术以及数据智能分析处理技术，建立一种基于LoRa/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统框架，其主要包括：智能感知层、网络传输层、信息整合层、应用服务层等4个核心技术模块。
a)智能感知层。利用物联网感知技术中的智能传感器、RFID电子标签、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，实现对高速公路机电设备运行状态数据和故障情况信息的统一智能感知；采用LoRa远距离通信技术，对设备周围环境进行监测与设备盘点，进而有效实现对机电设备运行情况的实时跟踪，为后期高速公路机电设备运行数据的高效获取与稳定传输提供有力的技术支持。
b)网络传输层。主要提供解析数据传输通道，将智能感知层采集的相关数据信息高效可靠地传送到信息整合层，进而使传感器网络与移动通讯技术、互联网技术相融合，实现更加广泛的互联功能，同时可控制信息的发送及数据协议的转换，支持异构网络接入，并支持移动性，以实现设备的无缝透明接入。
c)信息整合层。以机电设备监测数据融合处理集成平台作为信息整合层的信息处理中心，面向服务架构SOA及企业级服务总线，提供信息的web服务、业务服务接口等功能，通过对高速公路机电设备监测多源异构数据的特征提取、挖掘、关联等方法，实现海量数据纵向整合和横向集成的全景应用，支持高速公路机电设备全生命周期管理。
d)应用服务层。其高速公路机电设备综合管控系统包括信息查询、风险评估、在线预警、智能诊断、故障上报、系统管理等功能，通过将各模块进行有效集成，可显著提升高速公路机电设备的运行监测水平，进而提高其维护管理工作效率，为实现高速公路机电设备智能化管控运营提供技术支持。
基于物联网高速公路机电监测系统架构
其核心包括两个部分：
a）兼容主流传感器接口、以 Lora 等无线接入协议为主的高温、高湿的物联网智能传感数据网关。
该网关能够满足现有主流的传感器物理接口、适应各个厂家不同的传感器协议，从而打破传统传感系统的封闭性，提高传感器布设的便利性和降低系统成本。系统应能够提供主流的多种物理电气接口的接入，如 RS232、RS485、RJ45、USB、WiFi、蓝牙等，协议格式兼容各种需求，便于扩展。
该产品集数据采集、传输、存储功能于一体，采用低功耗设计。
采集功能：该网关能适应各种信号格式的传感器，包括 0-40mA 电流信号、 0-5v 电压信号、485 信号。并将其转换为统一的接口进行数据上传，屏蔽了底层传感器的差异性。
通信功能：支持 Zigbee 收发模块、Lora 收发模块、433M 无线模块、WIFI无线接收模块、4G 通信模块等无线接入方式，同时也可连接 RJ45 有线网口。支持与多中心进行数据通信；支持实时在线、定时唤醒两种工作模式。
远程控制管理功能：支持自动控制、 远程控制水位、雾情、AIS 等设备。支持远程参数设置、程序升级。
存储功能： 本机循环存储监测数据，掉电不丢失。
硬件配置： 2 路电压或电流信号接口、 1 路 485 信号接口。
该部分工作已经具备一定的工作基础，在本项目中，将针对荣乌高速的实际应用需求进行针对性改造。
b）传感数据管理平台，本部分工作是本项目的核心基础，除了应用层软件以外，本部分负责海量传感数据和设备状态信息的存储。下面对其技术路线做简要叙述。
传感数据管理平台是一个管理平台软件，该软件可以对设备进行管理、对传感器数据进行查看。
1)设备列表界面
2)设备信息概览界面
3)设备网络配置界面
4)设备存储配置界面
5)设备系统进程监视器界面
6)设备定时开关机界面
7)数据点配置界面
8)设备事件配置界面
9)设备消息记录
10)按列表方式查看数据
11)按曲线图方式查看数据
2、基于 NoSQL 数据库的海量异构传感数据一体化存储和服务云平台
该平台基于 NoSQL 数据库，实现非一致结构的海量传感数据的统一管理，并
为监测平台服务。该平台实现以下核心功能：
（1）设备管理：实现传感器设备的注册、认证、删除和信息修改等；
（2）用户管理：实现用户的注册、认证、删除和信息修改等；
（3）事件管理：通过有效地业务流程管理进行各类事件的处理；
（4）数据管理：完成数据格式的设定、数据的接收和发送、数据格式的转换、从数据库中进行数据存取等；
（5）消息管理：完成消息的接收、发送、处理和日志信息处理等；
（6）数据库管理：完成数据库的管理工作；
（7）REST API：基于 REST 技术设计统一的服务 API 接口，为上层应用提供统一和通用接口的服务，与平台其他服务实现无缝对接。
对于 NoSQL 并没有一个明确的范围和定义，但是他们都普遍存在下面一些共同特征：
a)不需要预定义模式：不需要事先定义数据模式，预定义表结构。数据中的每条记录都可能有不同的属性和格式。当插入数据时，并不需要预先定义它们的模式；
b)无共享架构：相对于将所有数据存储的存储区域网络中的全共享架构。NoSQL 往往将数据划分后存储在各个本地服务器上。因为从本地磁盘读取数据的性能往往好于通过网络传输读取数据的性能，从而提高了系统的性能；
c)弹性可扩展：可以在系统运行的时候，动态增加或者删除结点。不需要停机维护，数据可以自动迁移；
d)分区：相对于将数据存放于同一个节点，NoSQL 数据库需要将数据进行分区，将记录分散在多个节点上面。并且通常分区的同时还要做复制。这样既提高了并行性能，又能保证没有单点失效的问题；
e)异步复制：和 RAID存储系统不同的是，NoSQL 中的复制，往往是基于日志的异步复制。这样，数据就可以尽快地写入一个节点，而不会被网络传输引起迟延。缺点是并不总是能保证一致性，这样的方式在出现故障的时候，可能会丢失少量的数据；
f)BASE：相对于事务严格的 ACID 特性，NoSQL 数据库保证的是 BASE 特性。BASE 是最终一致性和软事务。
鉴于本项目的特点，本项目拟采用 MongoDB 键值数据库进行实现。
商业变化
通过本项目开发和实施，构建了一个高速公路机电设备运营监测平台，通过对机电系统的全生命周期管理，实现机电设备完好率的保证。总体达到国内领先水平。利用本项目的研究成果可以分析高速公路机电系统监控运行机制，及时动态的进行预警、监管、展示、应急提醒，提供基于电子地图的动态预警监管功能，规范运营机电设备故障报修流程、强化运维工作监督、提高运维服务水平，为管理者提供辅助决策信息，为整个高速公路机电系统的稳定性和可靠性提供保障，从而有效提高高速公路机电设备全生命周期的监管效率，改善服务水平，进一步增强高速公路的服务保障能力，对高速公路的进一步信息化具有重要的指导意义。
荣乌高速公路的运营管理不仅包括保障行车快速、畅通、安全、舒适、经济，还包括对荣乌高速公路的有关设施、环境保护诸方面提供技术、物资、人力保障以及在决策、计划组织、控制与激励等方面进行的全部活动。同时高速公路养护管理是高速公路运营管理的重要组成部分，是保证高速公路优良服务水平的主要手段之一。
高速公路养护管理的作用是了解、正确评价养护对象状况及服务水平；及时安排日常养护、专项养护及大修，保证高速公路良好行车环境；发现并及时弥补由于设计或其他原因造成的道路及其设施的先天不足和使用缺陷；提前预防道路及设施危害的发生，及时治理随时出现的损坏，尽可能延长道路及设施的使用寿命、延缓大修周期、降低运营管理成本。
随着经济的增长，交通量与日俱增，高速公路在当今社会经济中正在发挥着越来越重要的作用。作为保障高速公路完好畅通、安全运营的重要手段，养护管理工作的地位更加凸显，任务更加繁重，对经济和交通建设发展起着至关重要的作用。
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